DE102019133043A1 - Circuit board and fluid heater - Google Patents
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Abstract
Offenbart sind eine Platine mit einem aus Leiterbahnen gebildeten Heizstrang und ein mit einer derartigen Platine ausgeführter Heizer.Disclosed are a circuit board with a heating strand formed from conductor tracks and a heater designed with such a circuit board.
Description
Die Erfindung betrifft eine Platine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen mit einer derartigen Platine ausgeführten Fluidheizer.The invention relates to a circuit board according to the preamble of claim 1 and a fluid heater designed with such a circuit board.
Derartige Fluidheizer werden vorzugsweise zum Erwärmen von gasförmigen oder flüssigen Medien, beispielsweise Luft oder Wasser verwendet. Der Grundaufbau dieser Fluidheizer ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschrift
In der Druckschrift
In der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden
Problematisch bei dieser Lösung ist, dass die über die Leistungshalbleiter erzeugte Wärme mit Bezug zur gesamten Wärmeaustauschfläche nur punktuell erzeugt wird, so dass ein erheblicher Aufwand erforderlich ist, um durch entsprechende Ausgestaltung des Wärmeverteilelementes eine flächige Wärmeübertragung zu ermöglichen. Zudem ist der vorrichtungstechnische Aufwand bei dieser Lösung erheblich, da die Verschaltung der im Wesentlichen zur Heizung verwendeten Leistungshalbleiter gegenüber den herkömmlichen Lösungen mit Rohrheizkörpern oder PTC-Heizelementen komplex und zudem aufgrund des vergleichsweise hohen Preises der Halbleiter auch teuer ist.The problem with this solution is that the heat generated via the power semiconductors is only generated selectively in relation to the entire heat exchange surface, so that considerable effort is required in order to enable two-dimensional heat transfer through a corresponding design of the heat distribution element. In addition, the technical complexity of this solution is considerable, since the interconnection of the power semiconductors, which are essentially used for heating, is complex compared to conventional solutions with tubular heaters or PTC heating elements, and also expensive due to the comparatively high price of the semiconductors.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die mit einer eine Steuer- oder Leistungselektronik ausbildenden Schaltung versehene Platine und einen damit ausgeführten Heizer derart weiterzubilden, dass ein effektives Heizen eines Fluids mit verringertem Aufwand, insbesondere verringertem schaltungstechnischen Aufwand ermöglicht ist.In contrast, the invention is based on the object of developing the circuit board provided with a circuit forming control or power electronics and a heater implemented therewith in such a way that effective heating of a fluid is made possible with less effort, in particular less circuitry effort.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Platine durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf den Heizer durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 10 gelöst.This object is achieved with regard to the circuit board by the combination of features of patent claim 1 and with regard to the heater by the features of the
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous further developments of the invention are the subject of the subclaims.
Die erfindungsgemäß ausgeführte Platine/Leiterplatte ist mit zumindest einem Heizstrang ausgeführt, der auf eine vorbestimmte Heizleistung zur Erwärmung eines Fluids ausgelegt ist. Dieser Heizstrang ist durch mittels eines subtraktiven Verfahrens, beispielsweise durch Ätzen geformte Leiterbahnen ausgebildet, deren Querschnitt, Länge und Material entsprechend des für die Heizleistung erforderlichen Heizwiderstandes ausgelegt ist. Das Material ist dementsprechend so ausgewählt, dass es mittels eines subtraktiven Verfahrens, beispielsweise durch Ätzen oder Fräsen, bearbeitbar ist.The circuit board / printed circuit board embodied according to the invention is embodied with at least one heating section which is designed for a predetermined heating power for heating a fluid. This heating strand is formed by means of a subtractive method, for example by etching, the cross-section, length and material of which is designed according to the heating resistance required for the heating output. The material is accordingly selected so that it can be processed by means of a subtractive method, for example by etching or milling.
Erfindungsgemäß ist somit die Platine/Leiterplatte zunächst mit einer aus dem Material der Leiterbahn ausgebildeten durchgängigen Schicht/Lage ausgeführt, von der dann durch Ätzen oder Fräsen die keine Leiterbahn ausbildenden Bereiche entfernt werden.According to the invention, the circuit board / printed circuit board is thus initially designed with a continuous layer / layer formed from the material of the conductor track, from which the areas that do not form a conductor track are then removed by etching or milling.
Eine derartige Lösung ermöglicht es, durch die geeignete Wahl des Querschnittes und der Geometrie des Heizstranges auf einfache Weise eine Anpassung an unterschiedliche Heizleistungen durchzuführen, wobei der schaltungstechnische Aufwand gegenüber der eingangs beschriebenen Lösung mit speziell zum Heizen ausgelegten Leistungshalbleitern erheblich verringert ist. Derartige Leistungshalbleiter sind erfindungsgemäß allenfalls zum Ansteuern bzw. Regeln des Heizkreises erforderlich. Erfindungsgemäß wird somit bei der Bestromung der Leiterbahn der parasitäre Nebeneffekt ausgenutzt, der daraus resultiert, dass sich die Leiterbahnabschnitte durch die Bestromung erwärmen.Such a solution makes it possible, through the suitable choice of the cross section and the geometry of the heating strand, to easily adapt to different heating powers, the circuitry complexity being considerably reduced compared to the solution described above with power semiconductors specially designed for heating. According to the invention, such power semiconductors are at most required for controlling or regulating the heating circuit. According to the invention, the parasitic side effect is thus used when the conductor track is energized, which results from the fact that the conductor track sections heat up as a result of the energization.
Die Platine ist erfindungsgemäß mit einer Wärmeverteilschicht zur Wärmeübertragung auf das Fluid ausgeführt. Diese Wärmeverteilschicht kann beispielsweise als Formteil ausgeführt sein, das in den Schichtaufbau der Platine integriert ist und im Hinblick auf die Fluidführung und Wärmeübertragung optimiert ist. Durch die Integration der Wärmeverteilschicht in den Platinen-/Leiterplattenaufbau ist der vorrichtungstechnische Aufwand gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert, bei denen ein gesondertes Wärmeverteilelement, beispielsweise Wärmeaustauschflächen oder dergleichen angesetzt werden müssen.According to the invention, the board is designed with a heat distribution layer for heat transfer to the fluid. This heat distribution layer can be designed, for example, as a molded part that is shown in FIG the layer structure of the board is integrated and optimized with regard to fluid flow and heat transfer. By integrating the heat distribution layer into the circuit board / circuit board structure, the outlay on equipment is reduced compared to conventional solutions in which a separate heat distribution element, for example heat exchange surfaces or the like, has to be attached.
Die Platine wird vorzugsweise als IMS (Insulated Metal Substrate) - Leiterplatte ausgeführt, bei der bereits konzeptionell eine Wärmeverteilschicht integriert ist.The circuit board is preferably designed as an IMS (Insulated Metal Substrate) circuit board in which a heat distribution layer is already conceptually integrated.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass durch die geeignete Flächenerstreckung der Heizstränge/Leiterbahnen eine gleichmäßige Wärmeverteilung zum Erwärmen des Fluids gewährleistet ist.Another essential advantage of the solution according to the invention is that the suitable surface extension of the heating strands / conductor tracks ensures uniform heat distribution for heating the fluid.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zusätzlich zu dem Heizstrang auf der Platine/Leiterplatte eine Steuerschaltung und/oder eine Leistungselektronik ausgebildet, die beispielsweise zur Ansteuerung des Heizstrangs oder sonstiger elektronischer Bauelemente ausgebildet ist.In one embodiment of the invention, a control circuit and / or power electronics are formed in addition to the heating section on the circuit board / circuit board, which control circuit is designed, for example, to control the heating section or other electronic components.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind auf der Platine mehrere Heizstränge ausgebildet, die individuell ansteuerbar sind.According to a preferred exemplary embodiment of the invention, a plurality of heating lines that can be individually controlled are formed on the circuit board.
Jede IMS-Platine kann mehrlagig mit zumindest zwei Funktionslagen ausgeführt sein, in denen jeweils ein Heizelement und/oder die Steuerschaltung und/oder Leistungselektronik ausgebildet sein kann. Demgemäß kann eine Lage der IMS-Platine als Heizelement ausgeführt sein und eine andere Lage eine Steuerschaltung oder Leistungselektronik ausbilden. Selbstverständlich sind auch Mischformen realisierbar, bei denen eine Lage sowohl als Heizelement als auch im Sinne der Ansteuerung von Komponenten wirksam ist. Prinzipiell kann die IMS-Platine auch einlagig ausgeführt sein, wobei diese Lage sowohl die Funktion eines Heizelementes als auch einer Steuerschaltung/Leistungselektronik erfüllt.Each IMS board can be designed in multiple layers with at least two functional layers, in each of which a heating element and / or the control circuit and / or power electronics can be formed. Accordingly, one layer of the IMS board can be designed as a heating element and another layer can form a control circuit or power electronics. Of course, mixed forms can also be implemented in which one layer is effective both as a heating element and in the sense of controlling components. In principle, the IMS board can also have a single layer, this layer fulfilling the function of both a heating element and a control circuit / power electronics.
Die Wärmeübertragung ist weiter verbessert, wenn der Heizstrang zumindest abschnittsweise durch mäanderförmig ausgebildete Leiterbahnen ausgeführt ist. Alternativ können die Leiterbahnen jedoch auch in Parallelanordnung oder dergleichen in Reihe und/oder parallel geschaltet sein.The heat transfer is further improved if the heating section is designed, at least in sections, by meandering conductor tracks. Alternatively, however, the conductor tracks can also be connected in series and / or in parallel in a parallel arrangement or the like.
Die Herstellung der Platine und deren Anschlusselemente ist besonders einfach, wenn letztere und sonstige Funktionselemente durch Umbiegen von Laschen oder Randabschnitten der IMS-Leiterplatte ausgebildet werden. So ist es beispielsweise möglich, einen Leiterbahnendabschnitt zu einem derartigen Randabschnitt zu führen und dann durch dessen Umbiegen eine Kontaktfahne oder dergleichen auszubilden.The production of the circuit board and its connection elements is particularly simple if the latter and other functional elements are formed by bending over tabs or edge sections of the IMS circuit board. For example, it is possible to lead a conductor track end section to such an edge section and then to form a contact tab or the like by bending it over.
Weiterhin ist es möglich, dass in dem umgebogenen Abschnitt zumindest ein Heizstrang ausgebildet ist, der über Abschnitte der Leiterbahn, die über die gebogenen Bereiche hinweg geführt sind, kontaktiert wird. Möglich ist es auch, zumindest einen Heizstrang abschnittsweise im umgebogenen Bereich verlaufen zu lassen.Furthermore, it is possible for at least one heating strand to be formed in the bent-over section, which heating element is contacted via sections of the conductor track that are routed over the bent areas. It is also possible to have at least one heating section run in sections in the bent area.
Der erfindungsgemäße Heizer hat ein mit einer Platine der vorbeschriebenen Bauart ausgeführtes Heizelement.The heater according to the invention has a heating element designed with a circuit board of the type described above.
Die Leiterbahn kann dabei mäanderförmig oder bifilar ausgeführt sein.The conductor track can be designed in a meander shape or bifilar.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Platine einen von dem Fluid durchströmten Fluidkanal oder einen das Fluid aufnehmenden Fluidraum zumindest abschnittsweise begrenzt. D.h. bei einer derartigen Variante bildet die Platine einen Teil des Fluidkanals/Fluidraumes aus. Dieses Konzept, mit einem abschnittsweise von der Platine begrenzten Fluidraum ist Gegenstand einer parallel hinterlegten Patentanmeldung der Anmelderin.It is particularly preferred if the board delimits a fluid channel through which the fluid flows or a fluid space receiving the fluid at least in sections. In other words, in such a variant, the board forms part of the fluid channel / fluid space. This concept, with a fluid space delimited in sections by the board, is the subject of a patent application filed in parallel by the applicant.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine dreidimensionale Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fluidheizers; -
2 den Fluidheizer gemäß1 mit abgenommenen Deckel; -
3 eine Prinzipdarstellung einer IMS-Leiterplatte des Fluidheizers gemäß den1 und2 ; -
4 eine Detaildarstellung der IMS-Leiterplatte gemäß3 ; -
5 eine schematische Darstellung des Querschnittes einer derartigen IMS-Leiterplatte; -
6 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Geometrie zweier Heizstränge einer IMS-Leiterplatte gemäß den4 und5 ; -
7 einen Schnitt entlang der Linie A-A in1 ; -
8 einen entsprechenden Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Fluidheizers; -
9 eine Einzeldarstellung eines Formteils zur Fluidführung in einem erfindungsgemäßen Heizer und -
10a ,10b stark schematisierte Darstellungen von Ausführungsbeispielen, bei denen die erfindungsgemäße Platine durch Umbiegen Anschlusselemente und/oder einen Fluidraum ausbildet.
-
1 a three-dimensional representation of a first embodiment of a fluid heater according to the invention; -
2 the fluid heater according to1 with the lid removed; -
3rd a schematic diagram of an IMS circuit board of the fluid heater according to FIGS1 and2 ; -
4th a detailed representation of the IMS circuit board according to3rd ; -
5 a schematic representation of the cross section of such an IMS circuit board; -
6th a representation to clarify the geometry of two heating strands of an IMS circuit board according to the4th and5 ; -
7th a section along the line AA in1 ; -
8th a corresponding section of a further embodiment of a fluid heater; -
9 an individual representation of a molded part for fluid guidance in a heater according to the invention and -
10a ,10b highly schematic representations of exemplary embodiments in which the circuit board according to the invention forms connection elements and / or a fluid space by bending.
Das erfindungsgemäße Gehäuse
Zwischen dem abgenommenen oberen Deckel
In an sich bekannter Weise sind an den in
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel (siehe auch
Die beschriebenen Komponenten sitzen - wie vorstehend erläutert - auf der Platine
Wie eingangs erwähnt, ist die Platine
Auf dieser im Hinblick auf die optimale Wärmeübertragung auf das zu erwärmende Fluid ausgelegte Wärmeverteilschicht
Wie in der
Zur elektrischen Isolierung und als Feuchtigkeitsschutz kann dann auf diese geätzte IMS-Leiterplatte
Die Struktur der Heizstränge
Selbstverständlich können, wie vorstehend erwähnt, anstelle der mäanderförmigen Struktur auch andere Strukturen, beispielsweise in Parallel- oder Serienschaltung angeordnete parallele Leiterbahnen, bifilare Strukturen oder Mischformen dieser Strukturen verwendet werden. Bei dem in
Der einzelne Heizstrang
In dem vom unteren Deckel
Bei dem in
Die Anordnung der Platinen
In dem Schnitt gemäß
Bei dem in
Das Fluidführungselement
Wie bereits im Zusammenhang mit
Wie vorstehend erläutert, liegen die Vorsprünge
Wie ausgeführt, besteht eine erfindungsgemäße Besonderheit darin, dass zum einen die Platinen
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann auch ein Heizstrang vollständig oder abschnittsweise in dem umgebogenen Bereich ausgebildet sein, wobei dann die Kontaktierung vorzugsweise über die Leiterbahn
In
Die IMS-Platinen können auch mehrlagig ausgeführt werden, so dass jeweils durch Isolationsschichten getrennte, übereinanderliegende Leiterbahnschichten ausgebildet werden, die dann jeweils Teil eines Heizstranges/Heizkreises und/oder der Steuer- oder Leistungselektronik ausbilden. Dabei kann beispielsweise ein passives Sensorelement integriert sein, wobei eine Leiterbahnschicht zur Stromverteilung und die andere Leiterbahnschicht im Wesentlichen als Heizstrang ausgeführt sind. Prinzipiell können jedoch auch mehrere Schichten als Heizstrang ausgebildet sein, wobei die jeweilige Heizleistung durch Variation des Querschnittes, insbesondere der Leiterbahndicke d angepasst wird.The IMS boards can also have multiple layers, so that in each case separated, superposed conductor track layers are formed by insulating layers, which then each form part of a heating strand / heating circuit and / or the control or power electronics. In this case, for example, a passive sensor element can be integrated, one conductor track layer for current distribution and the other conductor track layer being designed essentially as a heating strand. In principle, however, several layers can also be designed as a heating strand, the respective heating power being adapted by varying the cross section, in particular the conductor track thickness d.
Prinzipiell kann der Fluidraum
Offenbart sind eine Platine mit einem aus Leiterbahnen gebildeten Heizstrang und ein mit einer derartigen Platine ausgeführter Heizer.Disclosed are a circuit board with a heating strand formed from conductor tracks and a heater designed with such a circuit board.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- FluidheizerFluid heater
- 22
- Gehäusecasing
- 44th
- MittelteilMiddle part
- 66th
- Deckel obenLid on top
- 88th
- Deckel untenLid at the bottom
- 1010
- FluidanschlussFluid connection
- 1212th
- FluidanschlussFluid connection
- 1414th
- Platinecircuit board
- 1616
- NiedervoltsteckerLow voltage plug
- 1818th
- HochvoltsteckerHigh voltage plug
- 2020th
- DruckausgleichselementPressure compensation element
- 2222nd
- ElektronikraumElectronics room
- 2424
- HeizkreisHeating circuit
- 2626th
- HeizkreisHeating circuit
- 2828
- AußenraumOutside space
- 3030th
- DichtkonturSealing contour
- 3232
- GewindebohrungThreaded hole
- 3434
- AnschlussfahneConnection lug
- 3636
- AnschlussfahneConnection lug
- 3838
- AnschlussfahneConnection lug
- 4040
- AnschlussfahneConnection lug
- 4242
- SchaltelementSwitching element
- 4444
- SchaltelementSwitching element
- 4646
- Anschlussconnection
- 4848
- Anschlussconnection
- 5050
- Anschlussconnection
- 5252
- Anschlussconnection
- 5353
- Anschlussconnection
- 5454
- elektronisches Bauelementelectronic component
- 5656
- elektronisches Bauelementelectronic component
- 5858
- HeizstrangHeating line
- 6060
- HeizstrangHeating line
- 6262
- WärmeverteilschichtHeat distribution layer
- 6464
- IsolierschichtInsulating layer
- 6666
- LeiterbahnTrack
- 66'66 '
- LeiterbahnendabschnittTrack end section
- 6868
- LötstopplackSolder mask
- 7070
- LeiterbahnabschnittTrack section
- 7272
- LeiterbahnabschnittTrack section
- 7474
- UmlenkungRedirection
- 7676
- DichtelementSealing element
- 7878
- DichtelementSealing element
- 8080
- FluidraumFluid space
- 8282
- TemperatursensorTemperature sensor
- 8484
- FluidführungselementFluid guide element
- 8585
- Freiraumfree space
- 8686
- BodenplatteBase plate
- 8787
- Freiraumfree space
- 8888
- Vorsprunghead Start
- 9090
- Kanalchannel
- 9494
- Querschnittcross-section
- 9696
- SeitenwandungSidewall
- 9898
- DeckenwandungCeiling wall
- 100100
- DeckenwandungCeiling wall
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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